新型全自動落地式刀庫

穆德敏，王瑞洋，佟恒賓，張舒翔

1.沈陽工學院遼寧省數(shù)控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室 遼寧撫順 113122 2.沈陽工學院機械工程與自動化學院 遼寧撫順 113122

1 序言

刀庫是數(shù)控機床的重要核心部件之一，中小型立式加工中心通常選擇斗笠式刀庫和圓盤機械手刀庫[1]，龍門式數(shù)控鏜銑床通常采用鏈式刀庫，臥式加工中心因采用雙交換工作臺，所以通常采用落地式鏈式刀庫。大型落地鏜床通過采用側(cè)掛式多工位鏈式刀庫，來滿足復雜零件加工的需要。由于加工中心所處行業(yè)不同，所以往往不需要配備大型鏈式刀庫，而采用常見的24把刀[2]，但是，由于主軸前端配備了其他功能部件，空間受到限制，所以在這種情況下，通用型刀庫不能夠滿足實際使用需要。因此，本文重點圍繞此類設(shè)備需求，為用戶提供一種全新的解決方案。

2 刀庫總體設(shè)計

一種落地式鏜床，由于加工的需要，原設(shè)計方案中的刀庫受使用空間限制，無法進行正常的換刀[3]。針對換刀空間受限的問題，可以采用如下兩種方案。方案一，采用側(cè)掛式刀庫，如圖1所示，斗笠式刀庫1，通過刀庫座2與立柱3使用螺栓固定在一起，滑座4在立柱3上能夠上下運動，主軸6安裝在方滑枕5上，能夠在滑座4內(nèi)實現(xiàn)前后運動，刀柄7通過斗笠式刀庫1中的執(zhí)行機構(gòu)，帶動刀盤整體運行至主軸6的中心線上。方案二，采用固定落地式刀庫，如圖2所示，刀庫座1落地，與地面固定，刀盤2固定在刀庫座1上，可以在其上進行旋轉(zhuǎn)，氣缸3推動刀柄組件，向上運動至主軸中心線上。上述兩種方案，當?shù)侗\動至主軸中心線后，在數(shù)控系統(tǒng)換刀指令作用下，實現(xiàn)了刀庫與主軸間的自動換刀。

圖1 側(cè)掛式刀庫

對兩種方案進行對比，兩方案的相同點在于都是通過氣缸作為執(zhí)行元件，都是刀盤需要旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位之后再進行送刀動作。不同點在于方案一采用氣缸推動整個刀盤運動，由于換刀行程的限制，傳統(tǒng)的250mm距離往往不能滿足工作需要；而方案二采用的是氣缸推動刀柄組件實現(xiàn)換刀，因此，方案二推動的負載更小，由于采用的是落地結(jié)構(gòu)，與機床的立柱不存在組合關(guān)系，與地面固定，占地面積更小，安裝調(diào)試更加靈活，更利于選擇合適的氣缸來實現(xiàn)動作，在主軸前端有冷卻組件等影響換刀的情況下，換刀所占用空間更小。綜合上述對比可知，在某種程度上，采用落地式刀庫解決自動換刀方案，優(yōu)于側(cè)掛式方案[4]。

圖2 固定落地式刀庫

3 刀庫刀盤受力分析

刀盤作為刀庫的主要部件之一，它的作用是固定刀座，后面安裝有分度機構(gòu)，前面安裝有氣缸，氣缸可以推動刀座組件向上移動，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)自動換刀。刀盤結(jié)構(gòu)是否合理、強度是否夠用，直接影響整個功能部件的穩(wěn)定性，鑒于此，重點對刀盤的結(jié)構(gòu)進行受力分析。此刀庫采用立式布局，以落地形式安裝在地面上，所用刀柄及刀具的最大質(zhì)量為3kg，刀庫總?cè)萘?4把，刀盤所用材料為Q235A，針對刀座的安裝位置，分別從位移、壓力、載荷方向三方面運用UG軟件中的simulation功能進行相應的分析，如圖3～圖5所示。

根據(jù)位移、壓力及載荷分析可知，在上述條件下，在最大壓強為2.03MPa的情況下，位移最大變化量是0.0014mm。載荷方向如圖5所示，通過圖形可知，載荷最大的方向存在于刀盤外側(cè)刀套組件處，尤其是在中心線上下兩側(cè)，因此，這些位置變形量也是最大的。目前的分析條件是在滿刀的情況下，同時刀具均是最大質(zhì)量，變形量在允許范圍之內(nèi)，實際工況是所用刀具由加工工藝來決定，刀具質(zhì)量會因種類不同，而存在差異，因此，通過上面的分析可知，該刀盤的結(jié)構(gòu)能夠滿足主機的使用要求[5]。從圖3位移分析中可知，中間部分的變形量很小，從降低電動機驅(qū)動負載的角度分析，可以將刀盤中間增開圓孔以減輕質(zhì)量。

圖3 位移分析

圖4 壓力分析

圖5 載荷方向分析

4 刀庫電氣控制

刀庫刀盤的驅(qū)動采用3相380V刀庫專用減速電動機進行分度，由優(yōu)質(zhì)的鋁合金壓鑄形成，電動機的體積小、扭力大、效率高且散熱快，表面經(jīng)皮膜處理不生銹，性能穩(wěn)定。送刀動作由同氣缸推動刀座組件來實現(xiàn)，機構(gòu)穩(wěn)定可靠，負載小，通過專用減速電動機、氣動系統(tǒng)以及相應的磁性傳感器、零點位置傳感器及計數(shù)傳感器等，在數(shù)控系統(tǒng)的作用下可實現(xiàn)自動換刀，根據(jù)實際工況，確定了具體的換刀動作。本文以主軸初始狀態(tài)為空刀，以換5號刀為例，進行動作過程描述，具體如下。

1）機床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令T5M6，刀庫電動機帶動撥桿轉(zhuǎn)動，撥桿帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤每旋轉(zhuǎn)一個刀位，計數(shù)傳感器計數(shù)一次。

2）根據(jù)系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)進行對比，若不匹配，向下一個工位旋轉(zhuǎn)；若匹配，刀庫專用減速電動機停止旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行下一步程序。

3）氣動系統(tǒng)上的前進電磁閥得電后，氣源推動氣缸軸帶動刀座組件向上運動至主軸中心換刀點，氣缸的運動行程由磁性傳感器來反饋。

4）主軸部分由數(shù)控機床伺服電動機帶動執(zhí)行機構(gòu)至換刀點，刀柄順利進入主軸錐孔，并用相應拉緊機構(gòu)鎖死。

5）主軸將刀柄鎖緊在主軸錐孔后，主軸機構(gòu)后移，退出至安全位置。

6）氣缸此時將刀套組件帶回，移至原刀位后，等待下一次的換刀指令。

7）在主軸上有刀的情況下，需要事先計算出哪個刀位是空刀位，再將主軸上的刀抓取下來，送入指定刀位，再執(zhí)行上述動作，完成下一次的換刀過程。時序如圖6所示。

圖6 刀庫運行時序

5 效果驗證

此刀庫經(jīng)過零部件三維建模后，進行了虛擬裝配，并運用UG軟件中的simulation對刀庫刀盤進行了受力分析。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，改進了部分結(jié)構(gòu)，提高了整機的剛性和產(chǎn)品的可靠性。刀庫三維效果如圖7所示。

在制造完成的同時，也對該刀庫的整機性能進行了48h以上的無故障運行測試，分別對每個刀位進行往復式換刀測試，經(jīng)試驗，該設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，換刀動作流暢無卡頓，換刀時間優(yōu)于設(shè)計指標，實際刀具的質(zhì)量大于設(shè)計指標，其余各項指標均達到了設(shè)計的預期，能夠滿足主機加工需要，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

圖7 刀庫三維效果

表1 刀庫測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文所述落地式刀庫與圓盤機械手刀庫相比，由于采用的是凸輪帶動機械手臂雙向就近選刀，因此換刀速度較快，但是設(shè)備成本高。與側(cè)掛式刀庫相比，落地式刀庫采用的是氣缸推動刀座組件實現(xiàn)換刀，移動負載小，系統(tǒng)反應更加靈敏可靠，同時成本較低，在安裝空間受限制的情況下，本方案能夠解決主機自動化換刀的功能，同時，本方案采用氣缸實現(xiàn)換刀，節(jié)能綠色環(huán)保。因此，落地式刀庫具有很廣泛的使用價值和推廣空間。